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문제 정의
- 본 논문에서는 2차원 주형실험으로 선정된 개선단면을 가지고 완성계에 영각, 풍각에 대하여 공기역학적 특성을 규명하였고. 구조물의 강성이 확보되지 않아 불안정한 시공 중 가설단계와 독립주탑의 내풍안정성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 Old Tacoma Narrow교와 같이 내풍 공학적 측면에서 불리한 1형 단면을 가지고, 중앙경간 230m, 측경간 103m의 경간을 가지고 양단에 2개의 I형 Main Girder와 중앙에 Stringer가 배치된 강합성 사장교인 삼천포대교를 대상으로 ir형 단면을 가진 합성형 사장교의 내 풍 특성을 평가하여 보다 합리적인 제진방법을 제시해 보고자 한다.(그림 1, 그림 2)
- Wardlaw (1992)는 대상교량과 같이 “형 주형의 사장교인 Longs Greek Bridge와 Hawkshaw Bridge의 경우 거더 사이의 하면을 감싸는 플레이트와 fairing을 채택하여 내풍안정성을 확보하였는데. 이는 많은 재료의 손실을요하므로 본 연구에서는 거더에 fairing만을 부착하여 보다 경제적으로 내풍안정성을 확보하였다 .
제안 방법
- 2차원주형실험에 있어서 내풍성이 검증된 fairinge 경제성을 고려하여 중앙경간에만 설치하여 내풍성을 검토하였다. 2 차원 주형실험결과, 내풍대책으로 채택된 fairinge 그림 6 와 같다.
- 가설단계의 모형은 3차원 완성상태의 모형을 절단하여 사용하였고, 모형의 축소율은 1/100이다. 가설단계는 그림 3 과 그림 4과 같이 중앙경간이 55% 가설된 상태와 91% 가설된 상태로 실험하였다.
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그림 4. 중앙경간 91% 가설상태
가설시에는 2차사하중이 작용하지 않으므로 가설단계의 모형에 있어서는 2차사항중에 해당하는 질량을 제거하는 한편, 작업장비에 해당하는 질량은 추가시켰다
. 대상교량은 가설시, 주형의 수평방향 진동을 억제하기 위해 주탑부근에서 주형을 횡 방향으로 고정하게 된다. - 구조물의 강성이 확보되지 않아 불안정한 시공 중 가설단계와 독립주탑의 내풍안정성을 검증하였다. 또한 같은 조건의 두 가지 형식을 비교하여 중소지간 사장교의 내풍 공학적 특성을 직접적으로 비교, 분석하였다.
- 0m이고, 각 실험에서의 진동수는 FFT Analyzer로 산출하였다. 난류강도의 측정은 열선풍속계를 이용하였고, 감쇠율의 조절은 Oil Damper를 사용하였다.
- 또한 대부분의 사장교는 FCM공법으로 가설되므로 시공단계에서 강성이 부족하여 바람에 취약하므로 2개의 가설단계와 독립주탑의 시공중 내풍 안정성에 대해서도 연구를 수행하였다. 대상교량은 원설계가 강상형으로 설계되었기 때문에 강합성 사장교와 강 상형 사장교의 내풍공학적 특성을 직접적으로 비교할 수 있었다.
- 구조물의 강성이 확보되지 않아 불안정한 시공 중 가설단계와 독립주탑의 내풍안정성을 검증하였다. 또한 같은 조건의 두 가지 형식을 비교하여 중소지간 사장교의 내풍 공학적 특성을 직접적으로 비교, 분석하였다.
- 전교 모형실험을 수행한다. 또한 대부분의 사장교는 FCM공법으로 가설되므로 시공단계에서 강성이 부족하여 바람에 취약하므로 2개의 가설단계와 독립주탑의 시공중 내풍 안정성에 대해서도 연구를 수행하였다. 대상교량은 원설계가 강상형으로 설계되었기 때문에 강합성 사장교와 강 상형 사장교의 내풍공학적 특성을 직접적으로 비교할 수 있었다.
- 모형의 동적특성은 강성봉과 질량을 이용하여 상사 시켰고 주탑의 형상은 아크릴을 이용하여 묘사하였다. 모형의 탄성 거동이 잘 표현되게 하기 위해 모형 전체를 높이 방향으로 9블록으로 분할하여 제작하였다.
- 독립주탑에서 면내 휨진동은 발생하지 않았으며. 비틀림 진동도 거의 발생하지 않아, 난류경계층에서 수평풍각이 0° 일 때, 면외의 휨진동과 비틀림진동에 대해서만 고찰한다.
- 설계기 본풍속은 한국도로교표준시 방서에 따라 남해안의 40 m/s를 적용하였고, 가설지점이 해상임을 고려하여 조도구분 I을 적용하였다. 설계 풍속의 산정에 있어서는 토목/건축 분야의 국내·외 규준에 의거하여 설계풍속을 정리한 표1에 의하면 각 규준에서 거의 비슷한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 수평풍각에 대한 검토는 5: 10: 20: 30: 90° 의 5가지에 대해서 수행하였다. 표 5와 그림 17의 결과에서 면내의 휨 와류 진동과 비틀림진동, 갤로핑은 발생하지 않았으므로 면외 휨 와류 진동에 대해서만 고찰한다.
- 실험은 장동일과 민인기 (1998)에서 선정된 단면을 가지고 3차원 전교 모형실험을 수행한다. 또한 대부분의 사장교는 FCM공법으로 가설되므로 시공단계에서 강성이 부족하여 바람에 취약하므로 2개의 가설단계와 독립주탑의 시공중 내풍 안정성에 대해서도 연구를 수행하였다.
- 36m이다. 주형모형의 동적특성은 교축방향의 강성봉을 이용하여 연직방향의 탄성거동을 표현하였고, 비틀림 방향의 탄성거동은 주탑과 연결된 케이블의 스프링에 의해 표현하였다(그림 2). 모형의 외형은 아크릴을 사용하였고 모형의 탄성 거동을 표현하기 위하여 전경간을 19블록으로 등분하여 제작하였다.
- 진동변위를 측정하기 위한 targete 중앙경간 1/2지점의 주형 양단부에 2점 그리고 측경간의 1/2 지점의 주형 양단부의 2점에 설치하여 연직 휨1차, 2차 진동과 비틀림 진동계 측이 가능하도록 하였다.
- 주탑의 진동실험에 있어서는 면내 및 면외의 휨진동과 비틀림진통을 대상으로 하였다. 진폭을 계측하는 광학식변위계는 주탑의 정상부에 4곳, 중간부에 2곳을 설치하여 각각 휨진동과 비틀림진동을 계측할 수 있도록 하였다. 모형의 동적 특성은 표 4와 같다.
대상 데이터
- 모형의 축소율은 1/100이다. 가설단계는 그림 3 과 그림 4과 같이 중앙경간이 55% 가설된 상태와 91% 가설된 상태로 실험하였다.
- 대상교량의 주탑의 실제 높이는 89m이고. 실험모형의 축소율은 1/60로 그림 5와 같다.
- 주형모형의 동적특성은 교축방향의 강성봉을 이용하여 연직방향의 탄성거동을 표현하였고, 비틀림 방향의 탄성거동은 주탑과 연결된 케이블의 스프링에 의해 표현하였다(그림 2). 모형의 외형은 아크릴을 사용하였고 모형의 탄성 거동을 표현하기 위하여 전경간을 19블록으로 등분하여 제작하였다.
- 형상은 아크릴을 이용하여 묘사하였다. 모형의 탄성 거동이 잘 표현되게 하기 위해 모형 전체를 높이 방향으로 9블록으로 분할하여 제작하였다. 주탑의 진동실험에 있어서는 면내 및 면외의 휨진동과 비틀림진통을 대상으로 하였다.
- 실험에 사용된 풍동은 현대건설 기술연구소 대형 경계 풍동으로 측정부의 제원은 폭(W)x높이(H)x길이(L) = 4.5mx2.5m x25.0m이고, 각 실험에서의 진동수는 FFT Analyzer로 산출하였다. 난류강도의 측정은 열선풍속계를 이용하였고, 감쇠율의 조절은 Oil Damper를 사용하였다.
- 모형의 탄성 거동이 잘 표현되게 하기 위해 모형 전체를 높이 방향으로 9블록으로 분할하여 제작하였다. 주탑의 진동실험에 있어서는 면내 및 면외의 휨진동과 비틀림진통을 대상으로 하였다. 진폭을 계측하는 광학식변위계는 주탑의 정상부에 4곳, 중간부에 2곳을 설치하여 각각 휨진동과 비틀림진동을 계측할 수 있도록 하였다.
이론/모형
- Zb= 5m의 특성을 갖는다. 고도별 난류강도에 대해서는 내풍 설계기준이 제시되어 있지 않으므로 다음과 같은 일본도로 협회의 “도로교내풍설계편람” 기준을 사용한다.
- 설계 풍속의 산정에 있어서는 토목/건축 분야의 국내·외 규준에 의거하여 설계풍속을 정리한 표1에 의하면 각 규준에서 거의 비슷한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 와류진동에 대한 설계풍속은 한국 도로교표준시방서에 따라 56.1m/s로 하며 Flutter에 대해서는 일본의 本州-四國 연락교공단의 풍동실험요령에 따라 안전율( = 1.2) 을 고려하여 67.3m/s로 적용하였다.
성능/효과
- (1) 2차원 모형실험에서 개선된 단면의 3차원 완성계의 실험 결과 설계풍속내에서 연직 와류진동 및 비틀림 와류진동은 발생하지 않았지만 buffeting효과가 나타났다. 최대진폭은 약 28cm로 중력가속도 0.
- (2) 기존의 사례에서는 n형 단면을 가진 사장교의 경우 거더 사이의 하면을 감싸는 하면플레이트와 fairing을 부가하여 내풍안정성을 확보하였는데 이는 많은 재료의 손실이 따르므로 본 연구에서는 거더에 fairing을 부착하여 보다 경제적으로 내풍안정성을 확보하였다.
- (3) 개선된 단면은 완성계에 있어서 영각과 풍각의 변화에 대해 연직 와류진동, 비틀림 와류진동과 비틀림 플러터가 발생하지 않았다.
- (5) 독립주탑에 있어서 비틀림와류진동, 갤로핑은 발생하지 않았지만 면외의 휨와류진동은 수평풍각 0일 때 풍속 30m/s 부근에서 배진폭 약 14.5cm의 진동이 발생하였다. 이 진폭은 일본의 本州-四國 연락교 공단의 허용치를 만족시키는 값으로 작업성에 문제가 되지 않을 것으로 사료된다.
- (6) 같은 조건의 강상형교와 합성형교의 비교에서 완성계와가설단계 모두 기본조건과 풍각에서는 강상형교는 전혀 진동이 발생하지 않았고, 영각에서도 약 35%와 61% 정도 강상형교가 작은 진동을 나타내고 있어 중 소지 간의 사장교에서는 강상형교가 내풍특성이 우수하다고 판단된다.
- (7) 그러나 가설기간 중 독립주탑의 경우 강상형 교에서는 휨 와류진동과 비틀림 와류진동이 모두 발생하였지만 합성형 교의 경우 진폭의 크기도 작았고, 비틀림 와류진동은 발생하지 않아 합상형교의 내풍특성이 우수하다고 판단된다.
- 대상교량의 독립주탑에서 발산진동은 발생하지 않았으며, 풍속 약 30m/s 부근에서 면외의 휨와류진동이 발생하는데, 주탑정상부에서의 최대진폭이 14.5cm로 측정되었다. 이 진폭이 작업성측면에서 허용할 수 있는 범위의 것인가를 평가하기 위해 다음과 같은 고찰을 수행하였다.
- 완성상태와 마찬가지로 가설단계에 있어서도 와류진동이나 갤로핑 등은 발생하지 않으며, 난류에 의한 buffeting 효과가 나타난다. 설계풍속(39.1m/s) 부근에서 연직 방향의 진폭은 약 17cm 정도로 완성상태에 비해 1/2배 정도로 안정함을 알 수 있었다.
- 대해서 실험을 수행하였다. 실험결과, 각각의 수평 풍 각에 있어서 내풍특성은 거의 동일하다. 최대연직진폭은 수평 풍 각이 30일 때 20cm로 수평풍각이 0 일 때 보다 약간 크게 나타났고 수평풍각에 대해서도 수평진동은 거의 발생하지 않았다.
- 그림 9에서 알 수 있듯이 영각변화에 대해서도 와류진동 및 발산형 진동은 발생하지 않았다. 영각변화에 따른 공기력거동은 영각이 0°일 경우보다 진폭이 약간 감소하는 특성을 보이고 2차원 실험 결과에 비해 buffeting 효과가 나타남을 알 수 있다.
- 보이며 이는 완성상태와 상반된 특성이다. 와류진동 및 발산형 진동은 발생하지 않으며 buffeting 효과가 나타났다. 그러나 영각 +3일 때 최대연직진폭은 약 34cm로 약 1.
- 실험결과, 각각의 수평 풍 각에 있어서 내풍특성은 거의 동일하다. 최대연직진폭은 수평 풍 각이 30일 때 20cm로 수평풍각이 0 일 때 보다 약간 크게 나타났고 수평풍각에 대해서도 수평진동은 거의 발생하지 않았다.
- 나타났다. 최대진폭은 약 28cm로 중력가속도 0.067g로 불쾌감을 주는 기준인 0.124g 보다 작음을 알 수 있었다.
후속연구
- 비틀림 와류진동 그리고 비틀림 플러터도 발생하지 않았지만 진폭이 36cm로 시공시 내풍안전성에 필요한 대책을 고려해야 할 것으로 판단된다.
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